双相(O/W)识别手性萃取苯基琥珀酸对映体的动力学研究

李洪建, 唐有根，唐课文，蒋金芝，岳艳枝，张盼良

(1. 中南大学 化学化工学院，湖南 长沙，410083；2. 湖南理工学院 化学化工系，湖南 岳阳，414006)

苯基琥珀酸(PSA)是药物原料N-甲基-α-苯基琥珀酰亚胺(phensuximid)的重要中间体，S-(+)-PSA是一种很好的扑尔敏药物手性拆分剂，并可作为手性选择剂合成液相色谱手性固定相[1−2]，因此，对PSA对映体进行手性拆分方面的研究显得非常必要。目前，研究较多的拆分苯基琥珀酸对映体的方法是色谱法[3−5]，而基于反应萃取原理进行的双相识别拆分 PSA对映体具有高效性和高选择性的特点[6−8]。实验证明，由单相萃取苯基琥珀酸对映体改进为双相识别反应萃取体系后，分离因子由1.501增至2.862[8]。近年来，对手性药物萃取拆分的研究主要集中在萃取平衡上，但获取准确的萃取动力学数据、建立动力学模型不仅对手性萃取理论具有指导和参考价值，而且对工业设备的设计也有很大的意义，目前，萃取动力学的研究主要针对某些离子及非对映体[9−13]，仅有少数针对手性药物(氨基酸、氨基醇等)[14]。在此，本文作者在对双相识别反应萃取苯基琥珀酸对映体的萃取平衡研究的基础上[8]研究其动力学。

1 实验

1.1 试剂

试剂为：苯基琥珀酸(PSA)，分析纯，襄樊诺尔化学试剂有限公司生产；磷酸二氢钠，分析纯，国药集团化学试剂有限公司生产；羟丙基-β-环糊精，分析纯，淄博千惠精细化工有限公司生产；正辛醇，分析纯，湖南汇虹化学试剂有限公司生产；L(+)-酒石酸，分析纯，国药集团化学试剂有限公司生产；异丁醇，分析纯，天津天大化学试剂厂生产。L-酒石酸异丁酯的合成方法见文献[13]。

1.2 仪器

仪器为：HP1100高效液相色谱，美国 HP公司制造；SPD-10AV紫外检测器，德国 Merck公司制造；C18反相柱，φ4.6 mm×250 mm, 5 μm，汉邦科技有限公司制造；SHA-2智能水域恒温振荡器，上海浦东物理光学仪器厂制造；720A型精密pH计，美国Orion公司制造。

1.3 色谱检测条件

流动相组成为0.1 mol/L NaH2PO4缓冲液与乙腈，两者体积比为 80:20，pH=2.5，HP-β-CD 浓度为 10 mmol/L；UV检测波长为254 nm；流速为1.0 mL/min。

1.4 萃取分离方法

双相识别反应萃取的动力学实验在定做的恒界面池内进行[9−12]，上下两相的搅拌速度可通过电机调速器改变，两相接触面积的改变通过使用不同的界面环实现，萃取反应的温度通过恒温水浴控制。

所有的萃取实验均在(5±0.2) ℃温度下进行，水相的组成为0.1 mol/L NaH2PO4/H3PO4缓冲液溶解0.05 mol/L羟丙基-β-环糊精，并溶解5 mmol/L苯基琥珀酸对映体；有机相是溶解0.1 mol/L L-酒石酸异丁酯的正辛醇溶液。实验开始时，先将100 mL水相加入恒界面池中，然后，沿池壁慢慢加入100 mL有机相，使两相界面恰好处于界面环内，启动搅拌装置，同时开始计时。在实验过程中，每隔一定时间抽取0.1 mL水相作为样品，共取12次，用HPLC分析样品中苯基琥珀酸对映体的浓度。

2 实验结果与讨论

2.1 实验数据处理

为表达简洁，以苯基琥珀酸的S型对映体为例进行分析，R型对映体采用完全相同的处理方法。根据双膜理论，双相识别体系中水相中被萃取物的浓度是时间的函数，以苯基琥珀酸的S型对映体为例：

其中：JS为 S-PSA 的传质速率，mol/(m2·s)；cS为 S-PSA的浓度，mol/L；A为两相接触面积，cm2；V为单相溶液的体积，L；下标aq和org分别表示水相和有机相；t为反应时间，s。

为了消除反应的可逆性对反应速率的计算带来的影响，通常只研究反应的初始速率，它只与正反应有关，并且当体系中物质的传递主要受化学反应控制即物理传质可以忽略时，传质速率JS近似等于正反应速率RS[10,14]，这时，方程(1)可表示为：

其中：(dcS,aq/dt)t=0表示水相中S-PSA的浓度cS,aq对时间 t曲线(见图1)的初始斜率。将结果代入方程(2)可以计算出不同的实验条件下的RS,0，从而得出各种因素对反应速率的影响。

图1 水相中S-PSA的浓度随时间变化曲线Fig.1 Concentration of S-PSA in aqueous phase time history plot

2.2 双相识别体系萃取拆分 PSA对映体动力学模型的研究

2.2.1 PSA对映体萃取速率与搅拌速度的关系

在两相接触面积9.62 cm2下，保持对映体浓度及两相中萃取剂浓度不变，逐渐增大转速，考察转搅拌速度对萃取速率的影响，结果见图2。从图2可以看出：当搅拌速度为60 r/min与125 r/min时，萃取速率与搅拌速度无关，根据Doraiswamy- Sharma提出的萃取动力学分区理论[15]，该条件下的反应属Ⅰ区或Ⅲ区。

图2 搅拌速率对PSA对映体萃取速率的影响Fig.2 Effect of agitation speed on initial extraction rate

2.2.2 PSA对映体萃取速率与两相界面积的关系

图3 两相的界面积对PSA对映体萃取速率的影响Fig.3 Effect of interfacial area on initial extraction rate

在搅拌速度为95 r/min下，保持各实验条件不变，只改变界面环内孔的面积，考察两相接触面积对萃取速率的影响，实验结果如图3所示。由图3可知：萃取速率随着两相接触面积的增大而线性增大，根据萃取动力学分区理论[15]，双相识别反应萃取PSA对映体的动力学类型应属于Ⅲ区，即扩散层中伴随着快速化学反应的萃取过程。

2.3 水相pH对PSA对映体萃取速率的影响

在搅拌速度为95 r/min，两相接触面积为9.62 cm2时，保持各实验条件不变，只将水相中的 pH由 2.5逐渐增大到7.0，考察水相pH对萃取速率的影响，结果如图4所示。从图4可知：萃取速率随水相pH的增大而减小，由此说明在双相体系中，水相酸度越大反应推动力越大，越有利于反应的进行。这主要是因为双相识别体系中的萃取剂(羟丙基-β-环糊精、L-酒石酸异丁酯)只能与分子状态的苯基琥珀酸反应，而酸性较小时苯基琥珀酸主要以酸根离子的状态存在，相当于降低了反应物浓度。

图4 水相中的pH对PSA对映体萃取速率的影响Fig.4 Effect of pH on initial extraction rate.

2.4 水相中PSA对映体反应级数的确定

为了确定萃取反应中PSA对映体的反应级数，保持其他实验条件不变，将水相中PSA对映体初始浓度由1 mmol/L逐渐增大到25 mmol/L，实验结果见图5。从图5可以看出：萃取速率与水相中PSA对映体的初始浓度成正比。第Ⅲ区萃取速率的表达式为：

其中：m和n分别为PSA对映体和L-IBTA的反应级数；Ds为扩散系数，m2/s；k为萃取反应速率；cS,org为有机相中S型对映体的浓度，mol/L；cL,0为L-酒石酸异丁酯的初始浓度，mol/L。结合图5可知：方程(3)中m=1，即该萃取反应对于PSA对映体是一级反应。

2.5 有机相中的萃取剂 L-酒石酸异丁酯反应级数的确定

为了确定萃取反应中萃取剂 L-酒石酸异丁酯的反应级数，保持其他实验条件不变，将有机相中L-酒石酸异丁酯的初始浓度由0.025 mol/L逐渐增大到0.2 mol/L，实验结果见图6。从图6看出：萃取速率与有机相中L-酒石酸异丁酯的初始浓度成正比。

图5 有机相中PSA对映体平衡浓度对萃取速率的影响Fig.5 Effect of H2A concentration on initial extraction rate

图6 有机相中的萃取剂L-酒石酸异丁酯的初始浓度对萃取速率的影响Fig.6 Effect of L-IBTA concentration on initial extraction rate

由于PSA的反应级数m=1，式(3)可简化为

利用方程(4)回归分析实验数据得到n=2，说明萃取反应对L-酒石酸异丁酯为二级反应。

2.6 水相中的萃取剂HP-β-CD对萃取速率的影响

由于PSA对映体最初溶解在水相中，所以，萃取方向总体上是从水相到有机相，可以推断两相中的萃取剂对PSA对映体有一种“竞争”关系，且水相中的萃取剂HP-β-CD浓度越大，将越不利于PSA向有机相中转移。实验结果证实了这种猜测，如图7所示。萃取速率随着 HP-β-CD初始浓度的增大而减小，说明HP-β-CD在萃取反应中起阻碍作用，且HP-β-CD浓度越大，阻力越强。综合考虑拆分效果及萃取速度，将HP-β-CD的初始浓度选定为0.1 mol/L。

图7 水相中的萃取剂HP-β-CD的初始浓度对萃取速率的影响Fig.7 Effect of HP-β-CD concentration on initial extraction rate

3 双相识别体系中反应萃取苯基琥珀酸对映体动力学模型的建立

对于m=1，n=2，式(3)可进一步简化为：

其中：扩散系数 Ds通过 Wilke-Chang方程求得，为1.79×10−9m2/s。利用方程(5)对图5中的数据拟合得到反应速率常数：k12,S为 32.95×10−5m6·mol−2·s−1，k12,R为 16.18×10−5m6·mol−2·s−1。

4 结论

(1) 双相识别体系萃取拆分苯基琥珀酸对映体的反应，对苯基琥珀酸对映体为一级反应，L-酒石酸异丁酯的反应级数为2。

(2) 采用双相识别体系萃取拆分苯基琥珀酸对映体的过程，萃取速率随着两相界面积增大而增大，搅拌速度的增大也会使萃取速率增大，但当搅拌速度大于60 r/min时，搅拌速度对萃取速率的影响极小，达到动力学“坪区”；在苯基琥珀酸的溶解度范围内，萃取速率随苯基琥珀酸对映体初始浓度的增大而增大，随水相pH的增大而减小，随有机相中的萃取剂L-酒石酸异丁酯初始浓度的增大而增大，随水相中的萃取剂羟丙级-β-环糊精初始浓度的增大而减小。

(3) 在5 ℃时，双相识别体系萃取分离苯基琥珀酸的 S-、R-型对映体的萃取速率常数分别为32.95×10−5m6·mol−2·s−1和 16.18×10−5m6·mol−2·s−1。

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